谭蔚泓&何磊Angew.：DNA编码人工细胞的相分离促进生物传感信号放大！|dna|何磊|信号|化学家|活性|画家|科学家|细胞|谭蔚泓

研究内容

类生命层次结构在推进智能生物传感方面显示出巨大的潜力，但其灵敏度和功能的模块化扩展仍然是一个挑战。液-液相分离是生物细胞中普遍存在的现象，在无膜细胞器、信号转导、基因调控等过程中发挥着至关重要的作用。众所周知，这一过程可以增强生物分子的活性，使其成为加速生物催化的有力调节过程。Hemin是一种小的有机分子，具有弱的过氧化物酶样催化活性。为了满足现实世界检测的需求，Hemin通常与DNA G-四链体（G4）适体结合，形成DNA G-四胞体适体/Hemin复合物（DGAH），这显著增强了其过氧化物酶样催化活性。

中国科学院基础医学与肿瘤研究所谭蔚泓和何磊从细胞内液-液相分离中获得灵感，发现具有液核（LAC）的DNA编码的人工细胞可以在没有底物选择性的情况下增强Hemin及其DNA G-四链体适体复合物（DGAH）的过氧化物酶样活性，这与其胶凝核（GAC）的对应物不同。LAC很容易被设计成一种超灵敏的生物传感系统，得益于DNA的高可编程性和液-液相分离介导的独特信号放大能力。作为概念的证明，它的多功能性通过与两个分子识别元件耦合以监测肿瘤相关的microRNA和分析癌症细胞表型而被成功证明。相关工作以“Phase Separation of DNA-encoded Artificial Cells Boosts Signal Amplification for Biosensing”为题发表在国际著名期刊Angewandte Chemie International Edition上。

研究要点

要点1.作者首次发现，DNA编码的人工细胞内独特的液-液分离环境可以显著增强Hemin的过氧化物酶样活性，但不受底物选择性的限制。尽管DNA G4适配体可以通过形成DGAH来增强Hemin活性，但当用液核（LAC）将DGAH加载到DNA编码的人工细胞内时，过氧化物酶样催化活性可以进一步增强。然而，在另一种具有胶凝核心的DNA编码的人工细胞（GAC）中，无论是单独的Hemin还是DGAH，都没有观察到过氧化物酶样活性的显著增强，这表明过氧化物酶样活动的增强主要是由人工细胞内独特的液-液相分离环境介导的。

要点2.得益于LAC的可编程分级结构，丰富的DGAH可以通过核心定位DNA序列加载到人工细胞内部，不同的分子识别元件可以通过外壳定位DNA序列锚定在LAC表面，进而为将人工细胞模块化转化为高度敏感和可扩展的生物传感系统提供了必要的条件。

要点3.作为一项概念研究，作者基于LAC开发了两种不同的生物传感系统。其中，实现了对肿瘤相关微小RNA（miRNA）的超灵敏检测。与传统的DGAH催化显色系统相比，通过提高过氧化物酶样活性和在LAC内实现DGAH的高负载能力，该系统的灵敏度提高了100倍。在第二种方法中，通过在LAC表面引入一组适配体，开发了多重膜蛋白图谱以区分具有异质表型的癌症细胞。

作者提出的范式够使用模块化组装方法将人工细胞合理地转化为灵活灵敏的生物传感系统，从而为严重疾病的早期临床诊断和生物医学研究提供潜在的强大工具。

研究图文

图1.（A）LAC合成过程示意图。首先进行滚环扩增（RCA）来制备ssDNA聚合物。在Mg2+存在的情况下，对ssDNA聚合物的混合物进行加热（3℃ min-1）。在加热过程中p（A20-m）的相分离和在冷却过程中双链形成（A20/T20），最终导致动力学捕获的全DNA分级结构的自组装，即LAC。通过使用条形码序列（m和n），LAC的核和壳可以选择性地定制满足不同的目的。（B）LAC的装载和组装的荧光图像是通过将FAM标记的m*DNA链连接到核条形码序列m和Cy5标记的n*DNA链附着到壳条形码序列n来实现。（C）LAC对Hemin的过氧化物酶样活性的影响的示意图。（D）在不同组分存在下，TMB显色反应溶液的UV-vis吸收光谱和照片（插图）：（a）HEPES缓冲液；（b） 100 nM Hemin；（c）100 nM Hemin+LAC（13.125 μg/mL）。（E）TMB显色反应对不同浓度LAC的吸收变化（在该系统中Hemin的浓度为100 nM）。用TMB（F）和H2O2（G）底物通过双倒数图对不同浓度的LAC-Hemin进行动力学测定：（a）LAC（8.750 μg/mL），Hemin（100 nM）；（b）LAC（0.875 μg/mL）、Hemin（100 nM）。误差条代表三个平行试验的标准偏差。

图2.（A）在虚线矩形内，LAC在光漂白前后的共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）图像。比例尺：5 μm。右图记录了60秒内漂白区域荧光强度的变化。（B）TMB显色反应溶液在不同组分存在下的UV-vis吸收光谱：（a）100 nM Hemin；（b）100 nM Hemin+GAC（13.125 μg/mL）；（c）100 nM Hemin+LAC（13.125 μg/mL）。（C）不同组分催化TMB氧化的时间依赖性吸光度变化：（a）100 nM Hemin；（b）100 nM Hemin+GAC（13.125 μg/mL）；（c）100 nM Hemin+LAC（13.125 μg/mL）。

图3.（A）LAC对DGAH的过氧化物酶样活性影响的示意图。（B）TMB显色反应溶液在不同组分存在下的UV-vis吸收光谱：（a）HEPES缓冲液；（b）100 nM Hemin；（c）100 nM m*-DGAH；（d）100 nM GAC/m*-DGA；（e）100 nM LAC/m*-DGAH。（C）鲁米诺反应溶液在不同组分存在下的化学发光强度：（a）HEPES缓冲液；（b）100nM Hemin；（c）100nM DGAH，具有核心定位DNA序列（m*-DGAH）；（d）100 nM GAC/m*-DGAH；（e）100 nM LAC/m*-DGAH。LAC和GAC的最终浓度为2.625 μg/mL。误差条代表三个平行试验的标准偏差。

图4.（A）基于LAC-DGAH或DGAH设计的夹层传感系统的原理图。（B）基于LAC-DGAH夹心分析，TMB显色反应的UV-vis吸收光谱对不同浓度的miRNA-25的DNA类似物的响应：（a）0 pM；（b）10 pM；（c）25 pM；（d）50 pM；（e）75 pM；（f）100 pM；（g）500 pM；（h）1nM；（i）5nM和（j）10 nM。（C）650 nm处的吸收强度与0至10 nM范围内的目标浓度之间的关系。插图：系统在低浓度下对目标的吸收强度。（D）基于DGAH夹心分析，TMB显色反应的UV-vis吸收光谱对不同浓度的miRNA-25的DNA类似物的响应：（a）0.0 nM；（b）1.0 nM；（c）2.5 nM；（d）5.0 nM；（e）7.5 nM；（f）10.0 nM；（g）20.0 nM和（h）50.0 nM。（E）650nm处的吸收强度与目标浓度之间的关系，范围为0.0至50.0 nm。插图：系统在低浓度下对目标的吸收强度。miRNA-25的DNA类似物被用作该部分中的靶序列。误差条代表三个平行试验的标准偏差。

图5.（A）基于适配体X（本例中为Sgc8适配体）-功能化LAC-DGAH的设计三明治分析用于区分不同癌症细胞的机制示意图。（B）Sgc8适配体功能化LAC-DGAH生物传感系统中不同类型癌症细胞的相应UV-vis吸收变化。（C）使用适体X（在这种情况下，分别为Sgc8适体、XQ-2d适体、PD-L1适体、C-Met适体、AS1411适体、PDGF适体和Tfr适体）的细胞表面蛋白的分子图谱-功能化的基于LAC-DGAH的模式识别阵列。误差条代表三个平行试验的标准偏差。

文献详情

Phase Separation of DNA-encoded Artificial Cells Boosts Signal Amplification for Biosensing

Juncai Li, Cai Yang, Lizhuan Zhang, Chunying Li, Sitao Xie, Ting Fu, Ziwen Zhang, Longjie Li, Lubin Qi, Yifan Lyu, Fengming Chen, Lei He,* Weihong Tan*

Angew. Chem. Int. Ed.

DOI: https://doi.org/10.1002/anie.202306691